Анализ прочностных и теплопроводных характеристик слоистых балок, состоящих из массива дерева и теплоизоляционного материала

Введение. Описывается экспериментально-теоретическая работа по исследованию характеристик слоистого строительного материала — термобруса, состоящего из массива дерева и слоев теплоизоляции. Подобные материалы применяются для строительства легковозводимых деревянных домов частного сектора и малоэтажных. Особенности такого типа материалов в том, что одновременно с конструкционным материалом — древесиной — брус содержит слой или слои утеплителя, что позволяет сократить этап утепления дома при его возведении. Прочная древесина и абсолютно ничего не способная нести теплоизоляция вместе могут дать материал, характеристики которого в корне отличаются как от первого, так и от второго.

Материалы и методы. Рассматривается влияние количества и толщины слоев теплоизоляции и древесины на прочностные и теплоизоляционные характеристики получаемого бруса. Зная закономерности изменения характеристик от количества слоев, становится возможным подобрать рациональную систему чередования слоев древесины и утеплителя. Проведены экспериментальные исследования балок с различным количеством и толщиной теплоизоляционных и силовых слоев; общая толщина и силовых, и теплоизоляционных слоев в каждой балке была одинаковой, но менялась последовательность их укладки.

Результаты. Показаны результаты экспериментального исследования прочности термобруса при изгибе и расчетное исследование его теплоизоляционных характеристик. Экспериментально получены зависимости максимальных нагрузок для балок с различным количеством слоев древесины/утеплителя.

Выводы. В результате проведенных экспериментов оказалось, что линейная теория изгиба не может точно описать поведение слоистого материала — выдерживаемая нагрузка росла с ростом количества слоев.

1. Zaid N.Z.M., Rejab M.R.M., Mohamed N.A.N. Sandwich structure based on corrugated-core : a review // MATEC Web of Conferences. 2016. Vol. 74. P. 00029. DOI: 10.1051/matecconf/20167400029

2. Комаров В.А., Павлова С.А. Учет требований жесткости при проектировании трехслойных конструкций панелей пола самолета из высокопрочных композиционных материалов // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2021. Т. 20. № 2. С. 45–52. DOI: 10.18287/2541-7533-2021-20-2-45-52. EDN SUXWWR.

3. Stefan A., Pelin G., Pelin C., Petre A., Marin M. Manufacturing process, mechanical behavior and modeling of composites structures sandwich panel // Incas Bulletin. 2021. Vol. 13. Issue 1. Pp. 183–191. DOI: 10.13111/2066-8201.2021.13.1.19

4. Павлычева Е.А., Пикалов Е.С. Современные энергоэффективные конструкционные и облицовочные строительные материалы // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2020. № 7. С. 76–87. EDN TJASPQ.

5. American Institute of Timber Construction. Timber construction manual. 2012. DOI: 10.1002/9781118279687

6. Hayward P.A. Timber-connector construction // Journal of Fluids Engineering. 1937. Vol. 59. Issue 5. Pp. 457–460. DOI: 10.1115/1.4020487

7. Bader T., Ormarsson S. Modeling the mechanical behavior of wood materials and timber structures // Springer Handbook of Wood Science and Technology. 2023. Pp. 507–568. DOI: 10.1007/978-3-030-81315-4_10

8. Kuzman M., Oblak L., Vratuša S. Glued laminated timber in architecture // Drvna Industrija. 2010. Vol. 61. Issue 3.

9. Gao S., Xu M., Guo N., Zhang Y. Mechanical properties of glued-laminated timber with different assembly patterns // Advances in Civil Engineering. 2019. Pp. 1–13. DOI: 10.1155/2019/9495705

10. Хошимова Ф.Ф., Панфилов Д.В., Поликутин А.Э. Расчет деревянных мостовых брусьев, армированных лентой из углеродного волокна, при циклических воздействиях // Научный журнал строительства и архитектуры. 2023. № 3 (71). С. 22–30. DOI: 10.36622/VSTU.2023.3.71.002. EDN JOWSQH.

11. Kopecky P., Staněk K., Bureš M., Richter J., Tywoniak J. Experimental investigations of wooden beam ends in masonry with internal insulation // Energy Procedia. 2017. Vol. 132. Pp. 682–687. DOI: 10.1016/j.egypro.2017.10.006

12. Vereecken E., Roels S. Wooden beam ends in combination with interior insulation: An experimental study on the impact of convective moisture transport // Building and Environment. 2019. Vol. 148. Pp. 524–534. DOI: 10.1016/j.buildenv.2018.10.060

13. Mets T., Tilmans A. Evaluation of the risk of decay of wooden beams embedded in internally insulated walls by long-term measurements // E3S Web of Conferences. 2020. Vol. 172. P. 01002. DOI: 10.1051/e3sconf/202017201002

14. Michálková D., Ďurica P. Experimental verification of thermal insulation in timber framed walls // Materials. 2022. Vol. 15. P. 2040. DOI: 10.3390/ma15062040

15. Абу-Хасан М.С., Розанцева Н.В., Егоров В.В., Куправа Л.Р. Оптимизация конфигурации перекрестно-балочной системы пространственной конструкции в зависимости от заданных параметров // БСТ: Бюллетень строительной техники. 2020. № 9 (1033). С. 32–35. EDN UJGVIE.

16. Bozsaky D. The historical development of thermal insulation materials // Periodica Polytechnica Architecture. 2011. Vol. 41. Issue 2. Pp. 49–56. DOI: 10.3311/pp.ar.2010-2.02

17. Aksit M., Zhao C., Klose B., Kreger K., Schmidt H., Altstädt V. Extruded polystyrene foams with enhanced insulation and mechanical properties by a benzene-trisamide-based additive // Polymers. 2019. Vol. 11. Issue 2. P. 268. DOI: 10.3390/polym11020268

18. Mahajan U.R., Emmanuel I., Sreenivasarao A., Mhaske S.T. Development of smart polyurethane foam with combined capabilities of thermal insulation and thermal energy storage by integrating microencapsulated phase change material // Polymer Bulletin. 2023. Vol. 80. Issue 12. Pp. 13099–13115. DOI: 10.1007/s00289-023-04695-8

19. Samardzioska T., Jovanoska M. Recycled rebonded polyurethane foam as sustainable thermal insulation. 2023. DOI: 10.33552/CTCSE.2023.09.000719

20. Rapley S., Bompa D., Biswal S. Compression resistance of digitally fabricated hollow timber co-lumns // Proceedings of the IASS Annual Symposium 2023 Integration of Design and Fabrication. 2023.

21. Неверов Е.Н., Короткий И.А., Коротких П.С., Расщепкин А.Н., Самар С.А. Изучение процесса деформации различных видов теплоизоляционных материалов при воздействии низких температур и влаги // Вестник МГСУ. 2023. № 18 (8). С. 1251–1261. DOI: 10.22227/1997-0935.2023.8.1251-1261

22. Sutheesh M., Chollackal A. Thermal performance of multilayer insulation : a review // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 396. P. 012061. DOI: 10.1088/1757-899X/396/1/012061

23. Perković N., Rajcic V. Mechanical and fire performance of innovative hollow glue-laminated timber beams // Polymers. 2022. Vol. 14. Issue 16. P. 3381. DOI: 10.3390/polym14163381

24. Zöllig S., Frangi A., Franke S., Muster M. Timber structures 3.0 — new technology for multi-axial, slim, high performance timber structures // World Conference on Timber Engineering. 2016.

25. Liu Y. Study on the influence of the arrangement of thermal insulation floor on the thermal insulation and mechanical properties of hollow slab // Lecture Notes in Civil Engineering. 2023. Pp. 125–136. DOI: 10.1007/978-981-99-1748-8_10

26. Caniato M., Marzi A., da Silva S., Gasparella A. A review of the thermal and acoustic properties of materials for timber building construction // Journal of Building Engineering. 2021. Vol. 43. P. 103066. DOI: 10.1016/j.jobe.2021.103066

27. Колесова А.В. Сравнительная характеристика теплотехнических свойств строительных материалов, использующихся во внешних ограждениях // Наукосфера. 2023. № 1–1. С. 322–325. EDN TKOMUK.